9.4 《电磁铁》知识背景（人教版八年级下）doc--初中物理 .doc

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1、 永久免费在线组卷 课件教案下载 无需注册和点数磁悬浮列车很早以前，人们就希望列车能与轨道脱离接触，以解除轮轨车辆的振动与磨损带来的烦恼。早在1864年，法国就开展了气垫车的研制工作，通过压缩空气使车体与地面脱离接触。1869年法国巴黎试验了世界上第一个气垫车。20世纪60年代，这种研究形成高潮，世界上出现了三个载人的气垫车实验系统。随着技术的进展，特别是固体电子学的出现，使原来十分庞大的控制设备变得十分轻巧，这就给磁悬浮列车技术提供了实现的可能。1969年，德国牵引机车公司(Locomotive Company)的马法伊(Krauss Maffei)研制出小型磁浮列车系统模型，以后命名为 T

2、R01型。1972年又研制成 TR02型，该车在 l公里轨道上时速达165公里，这是磁悬浮列车发展的第一个里程碑。1973年，马法伊还研制成气垫车(命名为TR03)。与磁浮列车相比，气垫车的技术要复杂得多。此后德国放弃了发展气垫车的计划，而着眼发展磁悬浮列车（以下简称磁浮列车)。 悬浮与推进的各种方式 磁浮列车从原理上可分为两种。一种是电磁型(EMS，Electro Magnetic System)，也称吸力型、常导型。另一种是电动型（EDS，Electrodynamic System)，也称斥力型、超导型。 电磁型列车在车体内装有电磁铁，路轨为一导磁体。电磁铁绕组中电流的大小根据间隙传感器的

3、信号进行调节，使车体与路轨间保持一定距离。悬浮力的大小与车速无关，任何车速时均能保持稳定的悬浮力。悬浮气隙较小，约 l厘米。出于安全考虑，设有应急备用车轮。车身前进的动力由直线感应电机或直线同步电机提供(也可用喷气推进)。它的悬浮和推进系统消耗的功率很小，一般为 l千瓦吨。结构、材料简单，但车体较重。 电动型列车在车体内安装有超导线圈，轨道上分布有按一定规则排列的短路铝环。当超导线圈内通电时就产生强磁场，在列车以一定速度前进时，该强磁场就在路轨的铝环内产生感应电流，两者相互排斥而产生上浮力。速度愈大这个排斥力就愈大，当速度超过一定值(时速80公里以上)时，列车就脱离路轨表面，最大距离可达数十厘

4、米以上。其悬浮是自稳定的，无须加任何主动控制；由于采用大气隙悬浮，即使车体有稍许不平衡，或车体与轨道有些许对不准，或轨道上有冰雪之类杂物，均不会影响列车运行的安全性。采用超导线圈虽可减轻线圈结构的重量，但却要增设超导所需的致冷系统，致冷电源也增加了功耗。这种结构的磁场若不加屏蔽，会增加环境的电磁污染。在低速行驶时，列车还需轮轨系统支撑，侧向稳定也要另加控制设备。 除电磁型、电动型之外，还有永磁式半悬浮型、推力与悬浮结合型的磁浮列车。 磁浮列车的驱动方式主要有直线感应电机(LIM)，直线同步电机(LSM)，以及直线磁阻电机(LRM)和 Z宇型单极直线同步电机。后两者很少采用。 直线感应电机也称短

5、定子直线感应电机，主要用在日本的 HSST系列。它的初级绕组装在车体上，定子由硅钢片选成，横向开有许多齿槽，用于安放电机绕组。次级采用低碳钢实心结构，架设在轨枕上，其上附设一层次级导体(5毫米厚的铝板)。当初级绕组加上三相交流电之后，在气隙空间形成一个平移磁场，该磁场切割次级导体， 在导体中产生感应电流。该感应电流形成的磁场与初级绕组形成的平移磁场方向相反，从而在路轨与车体之间产生电磁推力。这种电机的速度低于同步速度，一般用于中速(100200公里时)磁浮列车。 直线同步电机也称长定子直线感应电机，主要用在德国的 TR系列和日本的 MLU系列。其初级绕组沿轨道铺设，故称长定子，定子线构与短定子

6、类似。次级安装在车体上，为水磁体或直流绕组，在气隙空间建立起一个恒定的直流磁场。当初级绕组加上三相交流电后，与次级的直流磁场间产生电磁推力。这种电机的速度等于同步速度，一般用于高速(400500公里时)磁浮系统。这种电机需沿轨道铺设大量导电线圈，并沿线建立许多变电站，用于区间供电。 磁浮列车的优点 由于实现了磁悬浮，车身与轨道脱离接触，因而产生一系列优点。 (l)速度快。轮轨式列车点接触压力的典型数据是48.3兆帕。而磁浮列车是大面积悬浮支撑，单位面积受力的典型数据是6.934.5千帕。普通列车的速度主要是受限于轮轨间的粘性力，而磁浮列车的速度则受限于空气阻力。下面列出各类交通工具速度的典型数

7、据。 高速列车 磁浮EMS 磁浮EDS 汽车 飞机 平均速度（公里/时） 210 380 448 95 485 运行速度（公里/时） 260 400 480 110 852 由上可见，磁浮列车是陆上最快的交通工具，其速度仅次于飞机。 (2)乘坐平稳舒适、噪音低。凡是在西德和日本乘坐过磁浮列车的人，都异口同声的称赞乘坐平稳舒适。这是因为车身与轨道之间无接触，轨道不平度的影响可通过控制系统被滤除。下面列出各种地面交通工具噪声情况。 高速列车 磁浮列车 汽车 100（公里/时）82分贝 67分贝 76分贝 250（公里/时）92分贝 82分贝 磁悬浮列车的噪声属于低水平噪声。 (3)占地面积小。磁浮

8、列车路轨占地面积与普通列车相近，比高速公路占地面积要小得多。每公里的占地面积，六车道高速公路为428万平方米， 四车道的为286万平方米；而单向磁浮路轨仅为143万平方米，若是高架路轨，则几乎不占地面。此外，磁浮列车爬坡能力强，可达10，转弯半径比普通列车小，例如 TRO6轨道时速216公里的曲率半径为1000米，可适应修建磁浮路轨的地段多，因而可减少隧道和山谷桥架等建筑费用。 (4)能耗较低。据加拿大的一项研究，按行驶6O0公里左右核算，各种交通工具的能耗指标(瓦特时坐位公里)数据如下。 高速火车 磁浮EMS 磁浮EDS 汽车 飞机 35.4 73.1 136 144 352 这里未考虑速度

9、，单看能耗，似乎磁浮列车要比普通列车大，如果计及速度因素，考虑在不同速度下的功能指标，结论就不一样了。当时速达220公里左右时，普通列车与磁浮列车的功耗基本上一致。再提高时速，磁浮列车的优越性就明显了，而普通列车已无法达到。 (5)安全可靠。磁浮列车(EMS型)悬浮高度大约 l厘米左右，万一悬浮系统失效，应急车轮能支撑列车继续行进。另外，磁浮列车车体两侧像钳子一样卡住路轨，不易出轨，比普通列车安全。 (6)寿命长、维修费用低。这是显而易见的。 从综合效益考虑，磁浮列车是很有前途的一种交通工具。 德、日、美等国的研制概况 在世界上，重视磁浮列车研制并形成自己研制系列的国家是德国和日本。 德国是最

10、早开始研究磁浮列车技术的国家，其研究主要集中在 EMS型磁浮列车技术上， 目前在技术上占有优势。它的 EMS型磁浮列车发展计划称为 TRASPAID，相应的车型均用 TR加编号命名。世界上第一台 EMS型磁浮样车诞生在德国，它是1969年德国马法伊研制的模型车 TR0l。世界上第一台有载人能力的磁浮列车也诞生在德国，即1971年由德国航空公司(MBB)研制成功的全尺寸7吨车，有人也把它称为 TRO2(一般 TRO2是指马法伊1971年研制的12吨车，时速164公里)。 目前 TR系列已发展到 TRO7(其中TRO3是气垫车)， TRO4以前的曾用火箭推进，从 TRO5开始改用直线同步电机驱动。

11、TRO5轨长 l公里，最高时速90公里，载乘70人，1974年在汉堡国际博览会上展出，历时3周，载客4万余人次，未发生任何故障。 此后，德国实施TVE计划，建造 TRO6和拉腾镇的爱姆斯朗（Emsland）试验场，以试验列车的转弯、爬坡、行进速度等功能。试验场的环形轨道长31.5公里，倾角1.2度，坡度10，设有高4.7米，跨度25米的高架路轨和三个道岔的试验线。起动时间约1分钟，时速200公里，全程运行时间12分钟，最高时速412.6公里，1690米弯道运行时速256公里。 后又建造 TRO7，它是 TRO6的改进型，1988年投入试运行。到1989年底，包括商业运行在内共试运行1.2万公里

12、，软硬件耐久试验达5万小时，在隧道进行了各种雷击试验。 在 EMS型磁浮列车技术已成熟的基础上，德国还计划实施汉堡至柏林的磁浮线路工程。1996年正式动工，2001年交付使用。线路全长287公里，设计时速500公里，全程运行时间53分钟。每列车由4节车厢组成，共332个座位，每10分钟发 l列车，全天运行95列车。 德国西门子公司也曾发展过 EDS型磁浮列车技术，并在1976年获得时速12O公里的结果。由于其在能耗指标、强磁污染、发展风险等方面，都明显不如 EMS型，自1979年起，德国终止了 EDS型的研究。德国快速运输试验公司的试验专务理事布勒富克(F Blefuk)说：“我们在1977年

13、之前曾就超导和常导两种方式进行了研究，两种方式的优缺点的综合对比分析结果表明，常导方式更合适。”德国研制EDS型的有关技术已用于其他方面，如核磁共振技术、直线同步电机等。 日本地少人多，历来重视铁路技术的发展。日本航空公司(JAL)1974年开始 EMS型磁浮列车的设计研究工作， 先后研制出HSST-01、02、O3等型号。HSST-03于1985年和1986年分别在日本筑波和加拿大温哥华展出，共进行349天载人运行。在 HSST-03的基础上改进， JAL又建造了 HSST-04和 HSST-05，运行可靠性分别达到96.2和998。HSST系列均属 EMS型，在低速下（比如时速100公里）

14、行驶，噪声很低，很适于作市内交通工具。 日本国有铁路(JNR)则致力于 EDS型研制，于60年代中期就起步研究。1972年研制成的 ML100是世界上第一台 EDS型磁浮列车。1979年又研制成功 ML5O0，时速517公里，是陆面交通工具移动速度的世界纪录。若在东京与成田机场架设这样的线路，单程仅需10分钟，由东京到大贩也仅需 l小时。日本很重视 EDS型技术的开发，并把它与高温超导材料的研究联系在一起，以求更快发展。 英国是最早进行磁浮列车商业运营的国家，连接伯明翰车站与机场的900米运行线1984年投入运营，采用 EMS型,时速48公里，尚在使用，但研究进展不大。 美国地广人稀，公路网和

15、空中航线四通八达，长期忽视铁路发展。进入9O年代后，美国科技界、工业界对磁浮列车技术表现出十分浓厚的兴趣，大有急起直追之势。1993年5月，第12届国际磁浮列车会议在美国举行。美国国会拟定拨款725亿美元支持磁浮列车技术的发展，美国政府也成立 NMI组织(NationalMaglev Initiative)，拟分四个阶段发展此项技术。现已进行系统概念定义(SCD)研究。 SCD方案中，三个为 EDS型，一个为 EMS型。EMS型的悬浮与推进系统原理上与德国的TRASPAID类似，但采用超导型的概念(追求技术新)，悬浮间隙为4厘米(德国为 l厘米)，时速超过500公里(追求速度快)。1993年7

16、月开始概念设计，1995年进入工程实验阶段，1997年7月以后开始第四阶段，建造应用线路。 由上可见，尽管磁浮列车有明显的优点，但由于各国情况不同，所以对它的重视程度和发展路线也各不相同。除上述国家外，法国、锻国、韩国也都有研究计划。考虑到劳动力价格愈来愈高，往返时间将成为商品生产中非常关键的因素。在未来的市区至机场、市中心至卫星城之间的短程交通(50公里以内)，城市间的中程交通(50100公里)，作为交通走廊的远程交通(lO0100O公里)中，磁浮列车都是有竞争力的。 最初，发展磁浮列车技术就是追求高速。当时， HSST-01的目标就是为时速超过300公里提供技术，即使电机推不上去，也要用火

17、箭推上去。但发展至今，由于 HSST系列结构简单、噪声低、研制周期短、轨道造价低，对于城区、城郊的公共交通有明显的优越性，人们反而对它的中低速(时速在200公里以内)性能感兴趣。 磁浮列车技术在中国前景广阔 中国幅员辽阔，人口众多，经济正处起飞阶段，交通问题十分紧迫。 就陆路交通而言，中国可耕地面积仅占国土面积的17，可耕地十分宝贵，因此不宜大量发展占地面积大的交通设施。据统计，津塘高速公路每公里占地8.1万平方米，而铁路每公里仅占地1.63万平方米，普通路基的磁浮列车占地与铁路相当，而高架的磁浮列车占地要少得多，即使是双轨的，占地面积也仅为高速公路的5。可耕地宝贵是中国一项重要的基本国情，由

18、此出发，中国应优先发展铁路。 据1989年统计，中国铁路总长5.26万公里，人均铁路拥有量在世界上排在100位之后，按国土面积平均排在世界70位之后，然而所完成的客货周转量却居世界第3位，几乎与美国总长30万公里的铁路所完成的相等。中国铁路主要干线的货运只能满足社会需求量的5070，客车超员高达50100。因此，中国再造10倍以上的铁路也不为过。磁浮列车作为一种采用高技术的铁路运输工具，其单位能耗不仅比飞机、汽车低，与其他铁路运输工具相比，也是最低的。它的造价也只略高于电气化铁路。在中国铁路发展的广阔天地中，磁浮列车技术有自己的用武之地。 经济的起飞带来城市的繁荣，在人口集中的大城市，市内公共

19、交通以及市区与城郊的交通问题变得更为严峻。 中国的城市轨道列车，全国总计也不足50公里。修建地下铁路，造价昂贵，按中国的国力，近期不可能大规模发展。修建中低速的高架磁浮列车，造价要合理得多，而且噪声小，占地面积小，是解决城市交通问题的理想方案。 因此，磁浮列车技术的研究在中国也受到充分重视。 自80年代初开始磁悬浮运行技术的探讨和基础研究，其中包括悬浮控制技术研究、小型磁浮模型车和模型装置的研制和理论分析，以及18吨载人磁浮列车方案设计等。中国第一台磁浮列车原理模型诞生于1989年，该车属 EMS型，类似日本的 HSST结构，车体重80千克，由 LIM系统推进，运行速度可达10米秒，曾在长沙、

20、北京展出多次。现在，磁浮列车技术的研究已列入国家八五科技攻关项目，重点发展 EMS型，初步决定建立磁浮试验线路。在资金和价格合理的条件下，还考虑引进国外较为成熟的关键技术，以促进磁浮列车技术在中国的发展。 磁浮列车的核心技术是悬浮与推进，并需要一套复杂的自动控制系统。它的实现需要运用电子技术、电磁器件、直线电机、机械结构、计算机、材料以及系统分析等方面的高技术成果，因而国际上把磁浮列车列为高技术产品。但对于已比较成熟的 EMS型磁浮列车来说，它是高技术产品，却并非高价产品。它所依据的基础技术均属已成熟的技术，也不需要等待某一项技术的突破或某种特殊材料与器件的出现，所有材料与器件都是国内市场上可买到的商品。需要攻关的关键是组成系统的技术和实现工程化。可以相信，一旦磁浮列车在中国某地的交通网络中出现，让人们实际体验到它的优越性，它在中国大地上的发展将是无可限量的。 永久免费在线组卷 课件教案下载 无需注册和点数